DE4422367C1 - Ultraschall-Durchflußmesser mit kontinuierlicher Nullfluß-Kalibrierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Durchfluß­ messer mit einem von einem Gas oder einer Flüssigkeit als Medium zu durchströmenden Strömungskanal eines Meßrohrs und mit Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern, die den Strömungs­ kanal entlang eines vorgegebenen ersten Ultraschallweges durchschallen, wobei neben dem Strömungskanal ein mit dem gleichen Medium zu füllender Nullfluß-Meßkanal vorgesehen ist (DE 31 46 477 A1).

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung, bei dem ein von einem Gas oder einer Flüssigkeit als Medium zu durchströmender Strömungs­ kanal und ein Nullfluß-Meßkanal eines Meßrohres von Ultra­ schall-Sende-/Empfangswandlern durchschallt wird (DE 31 46 477 A1).

Aus der DE 40 10 148 A1 ist ein Ultraschall-Durchflußmesser bekannt und dort in Fig. 10 abgebildet. Das einen Strömungs­ kanal bildende Meßrohr, das von Gas bzw. Flüssigkeit durch­ strömt wird, hat im Bereich der Ultraschall-Durchflußmessung einen rechteckigen Querschnitt. Der zur Durchflußmessung ver­ wendete Ultraschall nimmt einen W-förmigen Ultraschallweg mit insgesamt drei Reflexionen des Ultraschalls an den Seitenwän­ den des Meßrohrs. Zwei Ultraschall-Sende-/Empfangswandler sind an ein und derselben Seitenwand derart schräg ange­ bracht, daß sich der W-förmige Ultraschallweg ergibt.

Mit dem Ultraschall-Durchflußmesser wird die Laufzeit des Ultraschalls sowohl in Richtung als auch gegen die Richtung der Strömung des Gases bzw. der Flüssigkeit gemessen. Die Differenz beider Schallaufzeiten T1, T2 ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v, wobei T1 die Schallaufzeit ent­ gegen der Richtung der Strömung und T2 die Schallaufzeit in Richtung der Strömung ist:

Die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v ist hierbei schallgeschwindigkeitsunabhängig. Bei ruhender Strömung soll­ te die Differenz im Zähler verschwinden. In der Praxis aller­ dings ist das nicht ganz der Fall. Es ergibt sich hier ein von Wandlerexemplar zu Wandlerexemplar unterschiedlicher, von Null verschiedener, als Nullfluß bezeichneter Wert. Dadurch wird die Meßgenauigkeit bei geringen Durchflüssen beeinflußt. Der hierdurch eingeschleppte systematische Fehler kann mehre­ re Prozent betragen und ändert sich mit Temperatur, Medien und anderen Einflüssen. Deshalb muß dieser Nullflußfehler entweder systematisch behoben bzw. minimiert oder korrigiert werden.

Bisher hat man zur Lösung dieses Problems folgende Maßnahmen ergriffen:

• - Weitgehende Erfüllung des Reziprozitätstheorems,
• - Paarweise Selektion der Ultraschallwandler nach geeigneten Kriterien,
• - Bestückung der Elektronik des Ultraschall-Durchflußmessers mit ausgesuchten und gepaarten Bauteilen,
• - Messung der Nullflußwerte unter verschiedenen Bedingungen, wie z. B. den Medien und der Temperatur am Herstellort und Korrektur dieser Werte durch Zurückschreiben in ein Regi­ ster des Durchflußmessers.

Die ersten drei Maßnahmen dienen hauptsächlich der Minimie­ rung des Nullflusses. Der restlich auftretende Effekt wird mit der letzten Maßnahme auf ein für die Messung erträgliches Maß reduziert.

Die zuletzt genannte Maßnahme ist sehr aufwendig und sollte möglichst vermieden bzw. minimiert werden. Zudem kann der Nullfluß nur über sehr wenige Betriebsparameter korrigiert werden. Es bleibt damit eine Unsicherheit hinsichtlich ande­ rer Betriebsparameter, insbesondere Temperatur, Druck, Alte­ rung, unterschiedliche Medien, Verschmutzung, etc.

Weiterhin ist nach gegenwärtigem Kenntnisstand bekannt, daß der Nullfluß durch die beiden folgenden Faktoren verursacht wird:

• - Unsymmetrien in der Auswerteelektronik, soweit diese nicht vollständig einpfadig aufgebaut werden kann,
• - die Reziprozität gilt vollständig nur für lineare Elemen­ te.

Die an der Übertragung beteiligten Ultraschallwandler sind jedoch nichtlineare Elemente, so daß selbst bei optimal rezi­ prokem Abschluß die unterschiedlichen Resteigenschaften der beiden Wandler den Nullfluß verursachen. Der reziproke Ab­ schluß muß in jedem Falle erhalten bleiben, da der Nullfluß­ effekt sowohl Größenordnungen größer sein kann, als auch viel mehr Einflüssen unterworfen ist.

Die Resteigenschaften der einzelnen Ultraschallwandler können nach heutigem Stand nicht so bestimmt werden, daß eine exakte Paarselektion für verschwindenden Nullfluß möglich ist.

Außerdem hängt nach bisherigen Erkenntnissen der Nullfluß von der verwendeten Elektronik zur Erzeugung und Auswertung der Ultraschallsignale sowie von den Eigenschaften der Ultra­ schallwandler ab, nicht jedoch von den Eigenschaften des Meß­ rohrs, sofern keine parasitären Schalleinflüsse wirken, wie Körperschall, Fremdschall oder auch Hochfrequenzeinstreu­ ungen.

Die aus der DE 31 46 477 A1 bekannte Meßanordnung ist relativ aufwendig, wobei vor der Inbetriebnahme aufgrund der Wandler­ ausstattung ein hoher Kalibrieraufwand zu erwarten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall- Durchflußmesser der oben genannten Art dahingehend zu ver­ bessern, daß auf einfache Weise Nullflußfehler korrigiert werden. Weiterhin soll durch die Erfindung ein einfaches Ver­ fahren zur Ultraschall-Durchflußmessung geschaffen werden, mit dem Nullflußfehler korrigiert werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die Ultra­ schall-Sende-/Empfangswandler den Strömungskanal und den Nullfluß-Meßkanal derart überdecken, daß sie bei Durchschal­ lung des Strömungskanals mit einem Ultraschallsignal zugleich den Nullfluß-Meßkanal durchschallen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht, wenn die Ultraschall-Sende-/Empfangswandler den Nullfluß-Meßkanal entlang eines derart angepaßten zweiten Ultraschallweges durchschallen, daß der jeweilige Ultraschall-Empfangswandler die beiden Ultraschallsignale nacheinander empfängt. Dies be­ deutet, daß die beiden empfangenen Ultraschallsignale deut­ lich zeitlich voneinander separiert sind und sich demnach die Ultraschall-Laufzeiten in den beiden Kanälen von der Elektro­ nik unterscheiden und auswerten lassen. Die Elektronik zur Erzeugung, zum Empfang und zur Auswertung der Ultraschall­ signale ist mit den Ultraschallwandlern verbunden.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Nullflußmessung bei jeder Strömungsmessung ohne Abschaltung der Strömung. Somit kann das Ergebnis der Nullflußmessung sofort in das Ergebnis der Strömungsmessung eingerechnet werden. Es läßt sich sofort jede Veränderung der Bedingungen für die Null­ flußmessung, d. h. Temperatur, Medium und Alterung erfassen und richtig korrigieren. Auch die meisten Nullflußeinflüsse werden mit Hilfe dieser Anordnung erfaßt.

Eine Nullflußkalibrierung, wie eingangs erwähnt, ist damit nicht mehr notwendig. Die Strömungsgeschwindigkeit v im Strö­ mungskanal läßt sich um den ermittelten Nullflußwert, z. B. entsprechend der folgenden Gleichung, korrigieren:

T1: Ultraschall-Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung
T2: Ultraschall-Laufzeit in Strömungsrichtung
a: Messung im Strömungskanal
b: Messung im Nullfluß-Meßkanal.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen.

Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn der erste Ultraschallweg W-förmig verläuft und wenn der zweite Ultra­ schallweg mittels Reflexionen weitgehend direkt und gerad­ linig verläuft. Hiermit wird auf einfache Weise eine ausrei­ chende Separation der empfangenen Ultraschallsignale er­ reicht.

Für den Gasaustausch ist es zweckmäßig, wenn der Nullfluß- Meßkanal parallel zum Strömungskanal liegt. Hierdurch ist die Möglichkeit einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gegeben, bei der der Strömungskanal und der Null­ fluß-Meßkanal durch eine gemeinsame Trennwand voneinander ge­ trennt sind und bei der nur im Bereich der Ultraschallwandler für das Medium eine Durchlässigkeit zwischen dem Strömungska­ nal und dem Nullfluß-Meßkanal besteht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Nullfluß-Meßkanal dicht, und der Übergang des Mediums zwi­ schen dem Strömungskanal und dem Nullfluß-Meßkanal erfolgt durch Diffusion.

Ein besonders schneller Austausch des Mediums im Nullfluß- Meßkanal läßt sich erreichen, wenn der Strömungskanal und der Nullfluß-Meßkanal an den Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern voneinander getrennt sind und wenn die beiden Kanäle in einer mit dem Medium gefüllten Box eingeschlossen sind und zudem der Nullfluß-Meßkanal gegenüber der Umgebung stromauf und stromab in Bezug auf die Strömungsrichtung des Mediums im Strömungskanal offen ist. Dies hat den Vorteil, daß bei Ände­ rung des Mediums ein schneller Austausch erfolgt und der Ultraschall-Durchflußmesser für die eigentliche Messung sehr schnell einsatzbereit ist. Allerdings ist hier durch entspre­ chende konstruktive Maßnahmen für einen geringen Durchfluß im Nullfluß-Meßkanal zu sorgen.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß der Nullfluß-Meßkanal nur an einer Stelle gegenüber der Umge­ bung offen ist. Dies bietet sich insbesondere für die Messung größerer Strömungsgeschwindigkeiten an, bei denen ein an beiden Enden geöffneter Nullfluß-Meßkanal zu unzulässig hohen Durchflüssen auch im Nullfluß-Meßkanal führen würde.

Diesem Problem könnte aber auch durch die folgende Ausbildung der Erfindung begegnet werden, bei der der Nullfluß-Meßkanal vollständig gegenüber der Umgebung geschlossen ist und die Trennwand zwischen beiden Kanälen zumindest teilweise aus einem porösem Material oder aus einer Membran besteht. Hier erfolgt der Gas- bzw. Flüssigkeitsaustausch lediglich durch Diffusion durch die Trennwand. Als Material für die Trennwand kann hier z. B. PTFE-Folie verwendet werden. Damit kann der Gasaustausch sowohl durch Diffusion bei sehr geringen Durch­ flüssen als auch durch einen sehr geringen Fluß durch die Membran, bei höheren Flüssen aufgrund der Druckdifferenz er­ reicht werden.

Besteht die Trennwand in dem Bereich, der beide Kanäle an den Ultraschallwandlern voneinander trennt, aus einer Membran, so ergibt sich der Vorteil, daß die Körperschalleinkopplung durch die Verwendung des porösen Materials verringert wird.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind im Nullfluß-Meßkanal Öffnungen derart angeordnet, daß der Null­ fluß-Meßkanal vom Medium quer zur Ultraschallführung im Null­ fluß-Meßkanal durchströmt wird. Dies läßt sich durch geeig­ nete konstruktive Maßnahmen in der den Ultraschall-Durchfluß­ messer umgebenden Gesamtbox erreichen. Der Fluß kann dabei so eingestellt werden, daß einerseits z. B. ein schneller Gasaus­ tausch erfolgt und andrerseits die Nullmessung nicht gestört wird. Die Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil die Gas­ austauschströmung rechtwinklig zur Durchschallung erfolgt, d. h. die Strömung erzeugt keine strömungsgeschwindigkeitsab­ hängige Differenz der Laufzeiten.

Die weitere, verfahrensbezogene Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der den Strömungskanal durchschallende Ultraschall-Sende­ wandler zugleich den Nullfluß-Meßkanal durchschallt, und daß der Ultraschall-Empfangswandler die sich in beiden Kanälen ausbreitenden Ultraschallsignale empfängt
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß aufgrund unterschiedlich langer Ultraschall­ wege im Strömungskanal und im Nullfluß-Meßkanal der Ultra­ schall-Empfangswandler die sich darin ausbreitenden Ultra­ schallsignale nacheinander empfängt.

Mit Vorteil kann der Nullfluß-Meßkanal mit dem gleichen Medium wie der Strömungskanal gefüllt sein, wobei das Medium im Nullfluß-Meßkanal praktisch ruht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die parallele Anordnung eines Strömungskanals und Nullfluß-Meßkanals mit Überdeckung durch einen Ultraschall -Wandler,

Fig. 2 eine von den wahren Verhältnissen abweichende, lediglich der besseren Anschauung dienende Darstellung beider Kanäle einschließlich der Schallführung,

Fig. 3 die zeitliche Separation der vom Ultraschall- Empfangswandler empfangenen Ultraschallsignale aus dem Nullfluß-Meßkanal und dem Strömungskanal,

Fig. 4 eine Trennwand zwischen beiden Kanälen gemäß Fig. 1 mit einem Spalt zum Ultraschallwandler,

Fig. 5 eine Anordnung mit einer direkt am Ultraschallwandler abschließenden Trennwand mit Öffnungen des Nullfluß- Meßkanals stromaufwärts und stromabwärts,

Fig. 6 eine Anordnung mit einer am Ultraschallwandler direkt abschließenden Trennwand und lediglich einer Öffnung zum Gasaustausch im Nullfluß-Meßkanal,

Fig. 7 eine Anordnung mit vollständig geschlossenem Nullfluß-Meßkanal, bei der die Trennwand aus einer Membrane oder aus porösem Material besteht,

Fig. 8 eine Anordnung mit einer Trennwand gemäß Fig. 1, die lediglich im Bereich des Ultraschallwandlers als Membran ausgeführt ist,

Fig. 9 eine Anordnung mit einem Nullfluß-Meßkanal mit Öffnungen zum Mediumaustausch senkrecht zur Ultra­ schallführung,

Fig. 10 einen Strömungskanal gemäß dem Stand der Technik.

Gemäß der Erfindung wird parallel zum Strömungskanal 1 eines bekannten Ultraschall-Durchflußmessers gemäß Fig. 10 ein Null­ fluß-Meßkanal 11 vorgesehen (siehe Fig. 1). Bei dem schon be­ kannten, hier als Beispiel dienenden Ultraschall-Durchfluß­ messer sind zwei Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3, 4 an einer Seitenwand eines Meßrohrs angebracht, welches den Strö­ mungskanal 1 bildet. Die beiden Ultraschall-Sende-/Empfangs­ wandler 3, 4 durchschallen den Strömungskanal 1 in dieser bei­ spielhaften Ausführung auf einem W-förmigen Ultraschallweg 2, der deutlich länger ist als die direkte Strecke zwischen beiden Wandlern 3, 4.

Der Strömungskanal 1 ist hier relativ schmal ausgebildet und wird durch entsprechend ausgewählte Wandler 3, 4 mit großem Durchmesser sehr gut überdeckt, was eine sehr gute Durch­ schallung des Strömungskanals 1 mit Ultraschall zur Folge hat. Dies ist eine der Hauptursachen für die hervorragende Meßlinearität des verwendeten Meßrohrs.

Das Meßrohr steht im allgemeinen nicht direkt mit der Umge­ bung in Verbindung, sondern befindet sich in einer zeichne­ risch nicht dargestellten Stahlbox, die für das Meßrohr unter anderem Einlaßvolumina bereitstellt. Die Stahlbox ist kom­ plett mit dem Medium Gas bzw. Flüssigkeit gefüllt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Aus dem in der Box enthaltenen Vorrat strömt das Medium in das Meßrohr und von dort in einen Auslaß, der jedoch vom Einlaßvolumen dicht getrennt ist. Soweit ist der Ultraschall-Durchflußmesser bekannt und bedarf keiner näheren Darstellung.

Die beiden parallel angeordneten Kanäle 1, 11 besitzen im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung eine gemeinsame Trennwand 12. Die Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3, 4 sind unverändert schräg an einer Seitenwand des Strömungskanals 1 angebracht und durchschallen den Strömungskanal 1 nicht nur auf dem W-förmigen Ultraschallweg 2, sondern zugleich auch den Nullfluß-Meßkanal 11, den sie gemäß Fig. 1 ebenfalls über­ decken. Dabei wird der eigentliche Strömungskanal 1 weiterhin mit sehr guter Durchschallung betrieben. Der Nullfluß-Meß­ kanal 11 enthält das gleiche Medium wie der Strömungskanal, wobei das Medium hier allerdings zumindest in Bezug auf die Durchschallung nahezu ruht. Die Durchschallung im Nullfluß- Meßkanal 11 geschieht nicht W-förmig, sondern mittels zweier Reflexionen annähernd direkt (siehe Fig. 2), so daß der Ab­ stand der beiden Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3, 4 prak­ tisch den effektiven Ultraschallweg 13 im Nullfluß-Meßkanal 11 darstellt. Damit ergibt sich im Vergleich zum W-förmigen Ultraschallweg 2 eine deutlich kürzere Ultraschall-Laufzeit T2. Die Qualität der Durchschallung des Nullfluß-Meßkanals 11 ist nicht besonders kritisch. Die Impulsform und der Emp­ fangspegel der Ultraschallsignale im Strömungskanal 1 und im Nullfluß-Meßkanal 11 sind etwa gleich.

Zur besseren Veranschaulichung der Anordnung ist der an ei­ nem Ende des Meßrohrs angebrachte Ultraschall-Sende-/Emp­ fangswandler 3 oder 4 gemäß Fig. 2 übereinander dargestellt, d. h. die die Kanäle 1, 11 durchschallenden Wandlerflächen auf der Sende- und Empfangsseite gehören jeweils zu demselben Ultraschallwandler 3 oder 4. Fig. 2 verdeutlicht, daß im Strö­ mungskanal 1 eine W-förmige Durchschallung erfolgt, während der Ultraschallweg 13 im Nullfluß-Meßkanal 11 direkt bzw. geradlinig ist.

Der jeweils sendende Ultraschallwandler 3, 4 sendet einen Ultraschallimpuls aus, der sich zugleich in beiden Kanälen 1, 11 fortpflanzt. Aufgrund der kürzeren Schallaufzeit T2b im Nullfluß-Meßkanal 11 gegenüber der Ultraschall-Laufzeit T2a entlang dem W-förmigen Ultraschallweg 2 wird der Impuls aus dem Nullfluß-Meßkanal 11 vom empfangenden Ultraschallwandler 3, 4 zuerst empfangen. Danach wird der empfangende Ultra­ schallwandler 3, 4 das Ultraschallsignal vom Strömungskanal 1 empfangen, wie in Fig. 3 dargestellt. Beide Signale sind zeit­ lich voneinander separiert und damit getrennt auswertbar. Besonders wichtig und grundlegend ist die Voraussetzung, daß die beiden Ultraschallsignale in den Kanälen 1, 11 von ein und demselben Paar von Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern 3, 4 erzeugt und empfangen werden und auch von der gleichen mit den Ultraschallwandlern 3, 4 verbundenen Elektronik ausge­ wertet werden. Gemäß Fig. 3, worin die vom Wandler 3 oder 4 empfangenen Ultraschallsignale in den beiden Kanälen 1, 11 über der Zeit t beispielhaft dargestellt sind, ergibt sich eine Separationszeit T3, deren Dauer von folgenden Einfluß­ größen abhängt:

• - Länge des Meßrohrs,
• - Höhe des Meßrohrs,
• - Schallgeschwindigkeit des Mediums,
• - Flußgeschwindigkeit im Strömungskanal,
• - Ausprägung des Nullfluß-Meßkanals.

Die Qualität der Separation hängt im wesentlichen von der Anstiegs- und Abfallszeit der beteiligten Ultraschallsignale, d. h. der Wandlerausklingzeit und dem akustischen Nachklappern aufgrund der Körperschallübertragung durch das Meßrohr sowie von weiteren möglicherweise beteiligten parasitären Signalen ab.

Die die empfangenen Ultraschallsignale auswertende Elektronik hat demzufolge gegenüber einer herkömmlichen Elektronik zu­ sätzlich die Zusatzaufgaben zu bewältigen, zwei in kurzer Folge eintreffende Ultraschallsignale zu bearbeiten und beide Schallaufzeiten T1, 2a; T1, 2b zu messen.

Zur Wirkungsweise des vorliegenden Prinzips, mit einem zu­ sätzlichen Nullfluß-Meßkanal eine kontinuierliche Nullfluß- Kalibrierung zu erreichen, wird folgendes ausgeführt:
Nach dem vorliegenden Kenntnisstand kann davon ausgegangen werden, daß der Nullfluß im wesentlichen von der Elektronik und den Ultraschallwandlern verursacht wird. Der Nullfluß- Meßkanal 11 mißt mit Hilfe der für die Strömungsmessung im Strömungskanal 1 verwendeten Ultraschallwandler 3, 4 und der Elektronik den Nullflußeffekt in einem nicht durchströmten Kanal. Damit ist eine simultane Nullflußmessung bei jeder Strömungsmessung ohne Abschaltung der Strömung möglich. Das Ergebnis der Nullflußmessung kann also sofort in das Ergebnis der Strömungsmessung eingerechnet werden. Jede Veränderung der Bedingungen für die Nullflußmessung (Temperatur, Medium, Alterung) wird sofort erfaßt und richtig korrigiert. Weiter­ hin werden bei dieser Methode auch die meisten Nullfluß-Ein­ flüsse der Elektronik erfaßt. Eine Nullfluß-Kalibrierung ist damit nicht mehr notwendig. Die Korrektur der Strömungsge­ schwindigkeit v im Strömungskanal 1 um den ermittelten Null­ flußwert kann z. B. in folgender Weise erfolgen:

T1: Schallaufzeit entgegen der Strömungsrichtung
T2: Schallaufzeit in Strömungsrichtung
a: Messung im Strömungskanal
b: Messung im Nullfluß-Meßkanal.

Wichtig ist die Tatsache, daß das Medium im Nullfluß-Meßkanal 11 keiner nennenswerten Strömung ausgesetzt ist, aber stets dafür gesorgt wird, daß das Medium im Nullfluß-Meßkanal 11 das gleiche ist wie das im Strömungskanal 1 zu messende, auch wenn letzteres ausgetauscht wird. Hierzu sind die folgenden Ausbildungen der Meßanordnung vorgesehen.

Gemäß Fig. 4 ist der Strömungskanal 1 mit dem Nullfluß-Meß­ kanal 11 nur an den Stellen verbunden, an denen sich die Ultraschall-Sende-/Empfangswandler 3, 4 befinden. Ansonsten ist der Nullfluß-Meßkanal 11 geschlossen. Beide Kanäle 1, 11 sind durch die Trennwand 12 voneinander getrennt, die zu den Ultraschallwandlern 3, 4 einen Spalt 14 aufweist. Durch Vor­ gabe der Breite des Spaltes 14 kann bestimmt werden, ob und wieviel Gas bzw. Flüssigkeit vom Strömungskanal 1 in den Nullfluß-Meßkanal 11 eindringen soll. Der Fluß durch den Nullfluß-Meßkanal 11 kann dabei so klein gemacht werden, daß er für die Flußmessung einen zu vernachlässigenden Fehler darstellt. Wird der Spalt 14 verkleinert und damit der Nullfluß-Meßkanal 11 entsprechend abgedichtet, kann ein Austausch des Mediums zwischen beiden Kanälen 1, 11 in der Geschwindigkeit soweit reduziert werden, daß das Medium Gas bzw. Flüssigkeit nur noch über Diffusion austauschbar ist. Ein geringer Spalt 14 zwischen den Ultraschallwandlern 3, 4 und der Trennwand 12 hätte weiterhin den Vorteil, daß eine Körperschalleinkopplung, z. B. über das Meßrohr, gering ge­ halten wird.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind der Strömungs­ kanal 1 und der Nullfluß-Meßkanal 11 an den Ultraschallwand­ lern 3, 4 voneinander getrennt. Der Nullfluß-Meßkanal 11 ist aber in geeigneter Weise gegenüber der Umgebung stromauf und stromab in Bezug auf die Richtung der Strömung im Strömungs­ kanal 1 offen. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß sich die eigentliche Meßzelle, d. h. das Meßrohr mit den beiden Kanälen 1, 11 innerhalb einer umhüllenden Stahlbox be­ findet. Damit ist der Durchfluß durch den Nullfluß-Meßkanal 11 kollinear mit dem im Strömungskanal 1. Er wird durch die Druckdifferenz zwischen beiden Öffnungen innerhalb der Stahl­ box zur Zu- und Abführung bestimmt. Der dabei erreichte Durchfluß ist aber so einzustellen, daß die eigentliche Strö­ mungsmessung nur unwesentlich verfälscht wird. Abhängig von der Anordnung in der Gesamtbox kann aber auch der Fluß durch den Nullfluß-Meßkanal in umgekehrter Richtung im Vergleich zu dem im Strömungskanal 1 erfolgen. Der Gasaustausch im Null­ fluß-Meßkanal 11 ist in Fig. 5 durch einen Pfeil angezeigt.

Die zuletzt beschriebene Ausführungsform läßt sich derart abwandeln, daß der Nullfluß-Meßkanal 11 nur an einer Stelle gegenüber der Umgebung innerhalb der Stahlbox offen ist, so daß der Austausch des Mediums, z. B. des Gases, lediglich durch Diffusion bestimmt ist. Die Öffnung ist hier wie, z. B. in Fig. 6 dargestellt, auf der dem Ultraschallwandler 3, 4 gegenüberliegenden Seite im Nullfluß-Meßkanal 11 vorgesehen, wie durch den Pfeil zeichnerisch angedeutet. Ansonsten ist dieser geschlossen.

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist der Null­ fluß-Meßkanal 11 vollständig geschlossen, d. h. auch im Be­ reich der Ultraschallwandler 3, 4. Die Trennwand 12 zwischen beiden Kanälen 1, 11 besteht hier aus einem porösen Material bzw. einer Membran, z. B. einer PTFE-Folie (Polytetrafluor­ ethylen: Teflon®). Damit kann z. B. ein Gasaustausch sowohl durch Diffusion bei sehr geringen Durchflüssen als auch ein sehr geringer Fluß durch die Membran bei höheren Strömungs­ geschwindigkeiten im Strömungskanal erfolgen.

Eine mögliche Abwandlung der zuletzt genannten Ausführungs­ form kann darin bestehen, daß nicht die gesamte Trennwand 12 zwischen beiden Kanälen 1, 11 aus einer Membran besteht, son­ dern nur ein relativ kleiner Bereich 21, der gleichzeitig beide Kanäle 1, 11 an den Ultraschallwandlern 3, 4 voneinander trennt (Fig. 8). Hierdurch ergibt sich als Vorteil, daß eine mögliche Körperschalleinkopplung durch die Verwendung des porösen Materials verringert wird.

Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist es weiterhin möglich, daß die Öffnungen im Nullfluß-Meßkanal 11 nicht stromauf und stromab bezüglich des Strömungsmeßkanals 1 angeordnet werden, sondern in der Weise, daß der Nullfluß- Meßkanal 11 von oben nach unten bzw. umgekehrt (Fig. 9), d. h. also rechtwinklig zur Durchschallungsrichtung bzw. zur Fluß­ richtung im Strömungskanal 1 durchströmt wird, wie durch die Pfeile zeichnerisch angedeutet. Dies läßt sich durch geeig­ nete konstruktive Maßnahmen in der Stahlbox erreichen. Der Fluß wird dabei so eingestellt, daß einerseits ein schneller Austausch des Mediums erfolgt und andererseits die Messung des Nullflusses im Nullfluß-Meßkanal 11 nicht gestört wird. Der große Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Strö­ mung z. B. bei einem Gasaustausch rechtwinklig zur Durchschal­ lung erfolgt. Damit ist aber eine strömungsgeschwindigkeits­ abhängige Differenz der Laufzeiten durch die Strömung ausge­ schlossen.

Durch den zweiten Meßkanal und den seitlichen Versatz der Ultraschallwandler 3, 4 könnte die Durchschallung des Strö­ mungskanals 1 möglicherweise etwas beeinträchtigt werden und Probleme hinsichtlich der Pegel und Linearität nach sich ziehen. Dem kann dadurch begegnet werden, daß Ultraschall­ wandler mit größerem Durchmesser verwendet werden. Bei Ultraschallwandlern für Gas, bei denen der Radialmode für die Ultraschall-Strömungsmessung verwendet wird, bedeutet dies neben einer größeren Kapazität bei gleicher Dicke der Ultra­ schallwandler eine niedrigere Trägerfrequenz. Da die Schall­ dämpfung in Gas frequenzabhängig ist, könnte hiermit auch eine Verbesserung des Übertragungsmaßes erreicht werden. Weiterhin könnte auch eine Verbesserung der Übertragung in hochdämpfenden Gasen wie Methan erreicht werden.

Im folgenden sollen anhand eines Zahlenbeispiels die zu er­ wartenden Meßdaten bei einem erfindungsgemäßen Durchflußmes­ ser wiedergegeben werden. Dabei wird für den W-förmigen Ul­ traschallweg 2 eine Länge von 222 mm und für den Ultraschall­ weg im Nullfluß-Meßkanal 11 eine Länge von 170 mm angenommen. Damit ergeben sich für Luft Ultraschall-Laufzeiten von 653 µsek. und 500 µsek., d. h. die Separationszeit T3 ergibt sich zu 153 µsek. Für Methan, in dem sich der Ultraschall sehr viel schneller (c = 430 m/sek.) ausbreitet, ergeben sich Ultraschall-Laufzeiten von 516 µsek. und 395 µsek., d. h. eine Separationszeit T3 von 121 µsek. ergibt sich.

Unter der Annahme, daß der Querschnitt des Nullfluß-Meßka­ nals 11 5 × 5 mm² beträgt und daß 1% des Durchflusses durch den Strömungskanal 1 durch den Nullfluß-Meßkanal 11 fließt, kann bei der oben erwähnten Anordnung gemäß Fig. 4 ein Gas­ austausch im Nullfluß-Meßkanal 11 selbst bei minimalem Durch­ fluß von 40 l/h in ca. 38 sek. erreicht werden.

Hieraus wird deutlich, daß für die vorgeschlagenen Ausfüh­ rungsformen bei entsprechend gewählten Abmessungen sich in der Praxis ausreichende Separationszeiten ergeben und ferner die Dauer des Gasaustausches genügend klein gehalten werden kann.

Claims (14)

1. Ultraschall-Durchflußmesser mit einem von einem Gas oder einer Flüssigkeit als Medium zu durchströmenden Strömungska­ nal (1) eines Meßrohrs und mit Ultraschall-Sende-/Empfangs­ wandlern (3, 4), die den Strömungskanal (1) entlang eines vor­ gegebenen ersten Ultraschallweges (2) durchschallen, wobei neben dem Strömungskanal (1) ein mit dem gleichen Medium zu füllender Nullfluß-Meßkanal (11) vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ul­ traschall-Sende-/Empfangswandler (3, 4) den Strömungskanal (1) und den Nullfluß-Meßkanal (11) derart überdecken, daß sie bei Durchschallung des Strömungskanals (1) mit einem Ultraschall­ signal zugleich den Nullfluß-Meßkanal (11) durchschallen.

2. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ul­ traschall-Sende-/Empfangswandler (3, 4) den Nullfluß-Meßka­ nal (11) entlang eines derart in der Länge angepaßten zweiten Ultraschallweges (13) durchschallen, daß der jeweilige Ultraschall-Empfangswandler (3 oder 4) die beiden Ultra­ schallsignale im Strömungskanal (1) und Nullfluß-Meßkanal (11) nacheinander empfängt.

3. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ultraschallweg (2) W-förmig verläuft und daß der zweite Ul­ traschallweg (13) mittels Reflexionen weitgehend direkt und geradlinig verläuft.

4. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullfluß-Meßkanal (11) parallel zum Strömungskanal (1) liegt.

5. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (1) und der Nullfluß-Meßkanal (11) durch eine gemeinsame Trennwand (12) voneinander getrennt sind und nur im Bereich der Ultraschall-Sende-/Empfangswand­ ler (3, 4) für das Medium eine Durchlässigkeit zwischen dem Strömungskanal (1) und dem Nullfluß-Meßkanal (11) besteht.

6. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullfluß-Meßkanal (11) dicht ist und daß der Übergang vom Medium zwischen dem Strömungskanal (1) und dem Nullfluß- Meßkanal (11) durch Diffusion erfolgt.

7. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (1) und der Nullfluß-Meßkanal (11) an den Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern (3, 4) voneinander ge­ trennt sind, daß die beiden Kanäle (1, 11) in einer mit dem Medium gefüllten Box eingeschlossen sind und daß der Null­ fluß-Meßkanal (11) gegenüber der Umgebung stromauf und strom­ ab in Bezug auf die Strömungsrichtung des Mediums im Strö­ mungskanal (1) offen ist.

8. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Null­ fluß-Meßkanal (11) nur an einer Stelle gegenüber der Umgebung offen ist.

9. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullfluß-Meßkanal (11) vollständig gegenüber der Um­ gebung geschlossen ist und daß die Trennwand (12) zwischen beiden Kanälen (1, 11) zumindest teilweise aus porösem Mate­ rial oder aus einer Membran besteht.

10. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (12) in dem Bereich, der beide Kanäle (1, 11) an den Ultraschallwandlern (3, 4) voneinander trennt, aus einer Membran besteht.

11. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Nullfluß-Meßkanal (11) Öffnungen (15) derart angeord­ net sind, daß der Nullfluß-Meßkanal (11) vom Medium quer zur Ultraschallführung im Nullfluß-Meßkanal (11) durchströmt wird.

12. Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung, bei dem ein von einem Gas oder einer Flüssigkeit als Medium zu durchströmender Strömungskanal (1) und ein Nullfluß-Meßkanal (11) eines Meßrohres von Ultraschall-Sende-/Empfangswandlern (3, 4) durchschallt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der den Strömungskanal (1) durchschallende Ultraschall-Sendewand­ ler (3 oder 4) zugleich den Nullfluß-Meßkanal (11) durch­ schallt, und daß der Ultraschall-Empfangswandler (4) die sich in beiden Kanälen (1 und 11) ausbreitenden Ultraschallsignale empfängt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund unterschiedlich langer Ultraschallwege (2, 13) im Strömungs­ kanal (1) und im Nullfluß-Meßkanal (11) der Ultraschall-Emp­ fangswandler (4) die sich darin ausbreitenden Ultraschallsi­ gnale nacheinander empfängt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullfluß-Meßkanal (11) mit dem gleichen Medium wie der Strömungskanal (1) ge­ füllt ist, wobei das Medium im Nullfluß-Meßkanal (11) prak­ tisch ruht.